Результаты исследования системы вентиляции рудника БКПРУ-2 в холодное время года Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2011 Геология Вып. 3 (12)

УДК 622.663.3

Результаты исследования системы вентиляции рудника БКПРУ-2 в холодное время года

Н.И. Алыменко3, А.В. Николаевь, А.А. Каменских3, А.П. Тронинс

Торный институт Уральского отделения РАН, 614007, Пермь, ул. Сибирская, 78а, E-mail: nik.alymenko@yandex.ru,

E-mail: timir2418@rambler.ru

ьПермский государственный технический университет, Пермь, 614990, Комсомольский пр-т, 29, E-mail: nikolaev0811@mail.ru сОАО «Уралкалий», 618426, Пермский край, г. Березники, ул. Пятилетки, 63, E-mail: alexander.tronin@uralkali.com

(Статья поступила в редакцию 22 июня 2011 г.)

Анализируются результаты исследования вентиляционной системы Березниковского калийного производственного рудоуправления № 2 (ОАО «Уралкалий») в холодное время года во время работы калориферной установки.

Ключевые слова: рудник, естественная тяга, тепловая депрессия, воздухоподающий и вентиляционный ствол.

В холодное время года воздух, подаваемый в воздухоподающие стволы рудников (шахт), согласно [3] необходимо подогревать в калориферной установке (КУ) до температуры не ниже +2 0С. При этом подогреваемый воздух подается в ствол по калориферному каналу ниже его нулевой отметки (устья воздухоподающего ствола). Кроме подогретого в КУ воздуха за счет общешахтной депрессии (давления, развиваемого главной вентиляторной установкой (ГВУ)) в воздухоподающий ствол через надшахтное здание частично будет засасываться холодный наружный воздух. Величина инфильтраций (проникновения) наружного воздуха через надшахтное здание напрямую зависит от типа ствола (клетевой, скиповой или скипоклетевой). Ввиду того, что на скиповых и скипоклетевых стволах обязательно будут присутствовать окна для прохода скипов (скиповые окна), предотвратить инфильтрацию наружного воздуха через них в надшахтное здание невоз-

можно. Поэтому помимо теплого воздуха, поступающего через КУ, в воздухоподающий ствол за счет общешахтной депрессии будет засасываться холодный наружный воздух.

Ввиду того, что калориферный канал, соединяющий КУ со стволом, и воздухоподающий ствол на участке от устья до точки пересечения его с каналом будут являться сообщающимися выработками, между ними будет действовать естественная тяга (тепловая депрессия) Ие(ку) (рис. 1).

Данное явление вызвано разностью плотностей (удельного веса) воздуха в калориферном канале и воздухоподающем стволе на участке от устья до точки пересечения его с каналом. Теплый воздух в канале (более легкий) будет стремиться подняться вверх, а воздух, засасываемый в устье воздухоподающего ствола (более тяжелый), - опустится вниз. В результате этого тепловая депрессия Ие(ку) будет иметь направление, показанное на рис. 1,

© Алыменко Н.И., Николаев А.В., Каменских А.А., Тронин А.П., 2011

89

Рис. 1. Возникновение тепловой депрессии между калориферной установкой и воздухоподающим стволом на участке от устья ствола до точки пересечения его с калориферным каналом

т.е. препятствовать поступлению воздуха через КУ и способствовать инфильтрации холодного воздуха через надшахтное здание.

Кроме тепловой депрессии, возникающей при работе КУ, в руднике будут действовать тепловые депрессии между его стволами. Величина и направленность данных тепловых депрессий будут зависеть от взаимного расположения стволов (разности высотных отметок устьев и околоствольных дворов) и средней плотности воздуха в них. На рис. 2 приведена упрощенная схема проветривания рудника (шахты) всасывающего типа, когда воздух в рудник (шахту) подается по воздухоподающим стволам за счет разряжения, создаваемого ГВУ, работающей на вентиляционном стволе.

Тепловые депрессии Ьв1, приведенные на рис. 2, действуют следующим образом: между Не\ - воздухоподающими стволами; между ке2 -вторым воздухоподающим и вентиляционным стволами; между Ие3 -первым воздухоподающим и вентиляционным стволами. Совместное действие описанных тепловых депрессий может оказывать существенное влияние на рабо-

ту ГВУ и, как следствие, на ее производительность.

Для проверки данных утверждений на руднике БКПРУ-2 (Березниковское калийное производственное рудоуправление № 2, Пермский край) была проведена воз-душно-депрессионная и температурнобарометрическая съемка, в результате которой произведены замеры в около-ствольных дворах и в устьях воздухоподающих стволов, в калориферных каналах и в здании ГВУ.

Результаты воздушно-депрессионной и температурно-барометрической съемки приведены в табл. 1, в которой приняты следующие обозначения: QКyi, Qн.зд.i и Оств.і - объемы воздуха, проходящего соответственно через калориферную установку, надшахтное здание и поступающего в воздухоподающий ствол; їКУі, їо.д.і и їшн - температура воздуха соответственно на выходе из КУ, в околоствольном дворе ствола и на входе в канал ГВУ; Ро,дл и Рккі - барометрическое давление соответственно в околоствольном дворе ствола и на входе калориферного канала в ствол; аНА -угол установки лопаток направляющего аппарата (НА) вентилятора ГВУ; QВ и кВ -соответственно производительность и

Рис. 2. Упрощенная схема вентиляции рудника (шахты), работающая по всасывающему способу проветривания

давление, развиваемое ГВУ; Яшн - аэродинамическое сопротивление канала ГВУ, найденное при измерении разности давления, развиваемого ГВУ, и перепада давления ее через надшахтное здание и части ствола до всасывающего канала.

Ввиду того, что воздушно-депрессионная и температурно-

барометрическая съемка проводились с интервалом во времени (вся съемка длилась порядка 2 часов), все измеренные величины приводились к стандартным условиям по методике [4], согласно которой ошибка, вызванная непостоянством параметров наружного воздуха, практически исключена.

Таблица 1 Результаты воздушно-депрессионной и температурно-барометрической съемки

рудника БКПРУ-2 (температура наружного воздуха ґнар 744,438 мм рт. ст.)

-6 С, атмосферное давление Ра

Ствол 1

QКУ1, м3/с Qн.зд. 1, м3/с Qств.1, м3/с tкУl, 0С tо.дA, 0С Р о.д.Ь мм рт. ст. Р кк1, мм рт. ст.

147,27 20,71 167,98 6,0 13,1 778,146 745,038

Ствол 2

QкУ2, м3/с Qн.зд.2, м3/с Qств.2, м3/с ЇК^ 0С $о. д. 2^> 0С Р о. д. 2, мм рт. ст. Р кк2, мм рт. ст.

149,49 20,20 169,69 4,4 11,4 778,259 745,035

Ствол 3

анА, град Ьв, Па Qв, м /с ^кан 0С $о. д.3, 0С Р о.д3 мм рт. ст. Якая, Н-с2/м8

0 1820,932 410 2,7 11,0 774,156 0,0034541

Тепловая депрессия, действующая между сообщающимися выработками, рассчитывается по формуле

К = * - * , Па, (1)

еп и/АЮ V '

где рсрі и рср^ - средние плотности воздуха в і-й и 7-й сообщающейся выработке,

о

кг/м ; Нств - вертикальная длина выработок, м.

Средние плотности воздуха в сообщающихся выработках можно найти как среднее арифметическое между плотностью воздуха в начале рначл7 и конце выработки ркон.у:

Р ~ ' 5 (2)

значения которых находятся по формулам

О 465.

нанл'1 273,15 + П А65.

кон.г, у

2/3,15 +

(3)

воздухоподающим стволом, на участке от устья до точки пересечения его с калориферным каналом найдется по формуле

И

+

•А ,(4)

где РНач.і,] и Рконл,] - барометрические давления воздуха в начале і-й и 7-й выработки, мм рт. ст.; ґНач.і,7 и їконл,] - температура воздуха в начале і-й и 7-й выработки, 0С.

Исходя из формул (1), (2) и (3) тепловая депрессия, действующая между КУ и

273,15-

е(КУ),і,і - пиИ

где рнар, Ркк-ств,і,7 - плотности воздуха соответственно наружного и в месте пересечения воздухоподающего ствола с калориферным каналом, кг/м3; ЛН17 Л#2,у и А#з,у - разности высотных отметок для і-го и 7-го воздухоподающих стволов соответственно между калориферной установкой и скиповыми окнами, калориферной установкой и точкой пересечения калориферного канала со стволом, скиповыми окнами и точкой пересечения калориферного канала со стволом (рис. 3), м.

Плотности воздуха в точке пересечения калориферного канала с і-м и 7-м воздухоподающими стволами можно найти по формуле (3), подставив в нее значения барометрического давления в точке соединения калориферного канала со стволом (Рккд7) и температуру смешанных теплого (из КУ) и холодного (через надшахтное здание) потоков воздуха - їсмі7. Значение температуры в данной точке согласно выводу из формул [3] найдется как:

+

0,465-

(5)

+

Скиповые

окна

Рис. 3. Высотные отметки поверхностного комплекса воздухоподающего ствола

г

На рис. 4 приведена упрощенная схема ными отметками расположения стволов. вентиляции рудника БКПРУ-2 с высот- Для определения тепловых депрессий,

действующих между стволами, необходимо учитывать полную высоту столбов воздуха в стволах. В связи с тем, что глубина ствола 1 является максимальной, тепловые депрессии, возникающие между стволами, можно рассчитать как

к -

е,п

(6)

где рстолбхі - средняя плотность воздуха всего /-го и у-го стволов, между которыми действует тепловая депрессия Ьеп, кг/м3; И\ - глубина максимального по значению ствола (в данном случае ствола 1), м.

Средняя плотность столба воздуха рстолб.\ будет равна средней плотности воздуха во всем стволе, на участке от калориферного канала до околоствольного двора, для стволов 2 и 3 средние плотности столба воздуха найдутся по формулам

Р.

столб .2

+ -Л

; (7)

+

•А

Рс

столб .3

(8)

где рств.2 и рСтв.з - средние плотности воздуха соответственно в стволах 2 (на участке от калориферного канала до околоствольного двора) и 3 (на участке от околоствольного двора до точки пересечения его с каналом ГВУ); АЩ - разность высотных отметок между устьем ствола 1 и устьем ствола 2; АЩ - разность высотных отметок между устьем ствола 1 и диффузором ГВУ (рис. 4).

Таким образом, рассчитав средние плотности столбов воздуха в стволах, по формуле (1) можно определить величины тепловых депрессий, действующих между ними. Полученные значения тепловых депрессий, действующих между стволами и возникающих при работе КУ, приведены в табл. 2.

П

п

Таблица 2 Тепловые депрессии, действующие в руднике БКПРУ-2 в момент проведения измерений__________________________________________________________________________________

he(Ky)i, Па he(Ky)2, Па а С а С he3, Па

-0,478 -0,418 -2,882 -2,876 -5,758

Как видно из табл. 2, величины тепловых депрессий, действующих в руднике БКПРУ-2 на момент измерений, невелики по своим абсолютным значениям, однако, они имеют знак «-», что указывает на их отрицательную направленность, т.е. они препятствуют работе ГВУ. Величины данных тепловых депрессий при изменении температуры наружного воздуха будут меняться, при этом не всегда температуры воздуха, подаваемого по стволам, равны между собой. Согласно исследованиям [2] было установлено, что разность подогреваемого в КУ воздуха, подаваемого по разным воздухоподающим стволам, может достигать 140 и более. Данный факт, несомненно, скажется на величинах тепловых депрессий, возникающих между стволами рудника.

Таким образом, необходимо установить зависимость тепловых депрессий, возникающих между стволами при работе КУ, и определить их совместное влияние на работу ГВУ. Для решения поставленной задачи были составлены расчетные схемы, приведенные на рис. 5.

Из расчетных схем (рис. 5) видно, что общешахтная депрессия, действующая в

руднике, найдется как алгебраическая сумма всех вышеприведенных тепловых депрессий, т.е.

he = + + + +

(9)

где sign - знак, определяющий направление тепловой депрессии.

Из данных, приведенных в табл. 2, общешахтная депрессия, действующая в руднике на момент измерений, составляла he = -12,412 Па.

Для проверки выведенной зависимости (9) было рассчитано аэродинамическое сопротивление сети, на которую работала ГВУ в момент измерений (Rcemu), и определено давление вентилятора с учетом действия общерудничной естественной тяги по следующему алгоритму.

Согласно [5] величину аэродинамического сопротивления выработки можно найти по формуле

Л . R = (10)

’ У, 81-

где APj - разность давлений в начале и конце i-й выработки, мм рт. ст.; N - ко -

Ry,

Rv,

Qm

Рис. 5. Расчетные схемы рудника БКПРУ-2

m

эффициент пересчета давления из мм рт. ст. в Па; Qi - объемный расход воздуха в 1-й выработке, м3/с.

Подставив значения из табл. 1 в формулу (9), получим следующие величины аэродинамических сопротивлений стволов и подземной части рудника: Яствл = 0,0159265 Н-с2/м8; Яств2 = 0,0156594 Н-с2/м8; ЯстеЗ = 0,0065822 Н-с2/м8; Ятр =

0,000479754 Н-с2/м8.

Аэродинамическое сопротивление поверхностных утечек воздуха согласно [6] найдется как

и _ .

Я - —- ут ^ ? ^ут (11)

Ввиду того, что аэродинамическое сопротивление двух параллельных выработок находится по формуле

Т>

Я = пар ^ I V ’ (12)

І і 1 1 1 і )

сопротивления двух воздухоподающих стволов и сопротивления рудника и поверхностных утечек будут соответственно равны

я, =

Н-с2/м8;

/?

=

сети

Н-с2/м8.

I

I

Тогда давление, развиваемое ГВУ, составит

И

В расч

7 Па. (13)

Из расчетов следует, что измеренное значение Ив, приведенное в табл. 1, меньше полученного в результате расчетов по данным измерений на величину АИ = -12,425 Па. Сравнив величину АИ с рассчитанной ранее общерудничной естественной тягой, убедимся в том, что они отличаются друг от друга всего на 0,013 Па, т.е. примерно на 0,11 %.

Таким образом, установлено, что между воздухоподающим стволом и КУ, работающей в холодное время года, возникает тепловая депрессия, а общешахтная естественная тяга, возникающая в руднике, определяется как алгебраическая сумма тепловых депрессий, возникающих между стволами и действующих при работе КУ.

р

Библиографический список

1. Алыменко Н.И., Николаев А.В. Расчет эквивалентного аэродинамического сопр о-тивления подземной части проектируемого рудника для определения естественной тяги, действующей между стволами // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. 2010. № 12. С. 68-70.

2. Алыменко Н.И., Норин А.А., Минин В.В. Влияние естественной тяги воздухоподающих стволов на проветривание калийных рудников // Вентиляция шахт и рудников. Л.: Изд-во ЛГИ, 1989. С. 54-57.

3. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом (ПБ 03-553-03). Сер. 03. Вып. 33 / ГУП «НТЦ по безопасности в

промышленности Госгортехнадзора России». М., 2003. 200 с.

4. Керстен И.О. Аэродинамические испытания шахтных вентиляторных установок. М.: Недра, 1986. 196 с.

5. Николаев А. В., Гаврилов В. М. О возможности использования тепловой депрессии, возникающей при работе нагревателей, расположенных в устье вентиляционного ствола, для снижения поверхностных утечек воздуха // Молодой ученый. 2011. №6. С. 85-89.

6. Николаев А.В. Анализ теоретической формулы, определяющей величину естественной тяги, действующей между воздухоподающим и вентиляционным стволами // Г еология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. М., 2009. №10. С.72-75.

The Results of Research of the Ventilation Systems Survey for BPIMG-2 Mine in the Cold Season

N.I. Alymenkoa, A.V. Nikolaevb, A.A. Kamenskikha, A.P. Troninc

aMining institute Ural branch RAS, 614 007, Perm, Sibirskaya st., 78a E-mail: nik.alymenko@yandex.ru, E-mail: timir2418@rambler.ru bPerm State Technical University, 614 990, Perm, Komsomolsky ау., 29.

E-mail: nikolaev0811@mail.ru

c«Uralkaliy», 614 426, Perm area, Berezniki, Pyatiletki st., 63 E-mail: alexander.tronin@uralkali.com

The article deals with results of research of the ventilation system survey for the Berezniki Potassium Industrial Mining Group № 2 mine («Uralkaliy») in the cold season in an operating time of heater installation.

Key words: mine, natural draught, thermal depression, downcast ventilating and air-shafts.

Рецензент - доктор технических наук ВЛ. Гершанок